DE102012009450A1 - Circuit for e.g. preventing over-voltage in battery, has voltage monitoring unit whose input is connected to positive terminal of energy accumulator, and whose output is connected to control terminal of controllable power switch - Google Patents

Circuit for e.g. preventing over-voltage in battery, has voltage monitoring unit whose input is connected to positive terminal of energy accumulator, and whose output is connected to control terminal of controllable power switch Download PDF

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Abstract

The circuit has a discharge circuit (2) that is provided with input terminals (3,4) for providing alternating current (AC) input voltage. The input of a controllable power switch (6) is connected with the positive output (7) of a rectifier circuit (5), and reference line (9) is connected to the negative output (8) of the rectifier circuit. The input of a voltage monitoring unit is connected to the positive terminal (10) of the energy accumulator, and the output of the voltage monitoring unit is connected to the control terminal of the controllable power switch.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einem Energiespeicher, insbesondere zum Überspannungs- und Kurzschlußschutz eines kapazitiven Energiespeichers oder von Akkumulatoren, mit einer elektronischen Lade- bzw. Entladeschaltung.The present invention relates to a circuit arrangement having an energy store, in particular for overvoltage and short-circuit protection of a capacitive energy store or of accumulators, with an electronic charging or discharging circuit.

Als Energiespeicher zu industriellen Anwendungen, in denen Antriebsenergie oder Bremswege elektrischer Motoren zwischengespeichert werden müssen, werden insbesondere hochkapazitive Energiespeicher verwendet, wobei Energiespeicher auf der Basis von Doppelschichtkondensatoren (EDLC) besonders günstig hinsichtlich Kapazität pro Masse sind und daher zur Sicherung eines hohen Wirkungsgrades der Energieübertragungsstrecke beitragen.As energy storage for industrial applications in which drive energy or braking distances of electric motors must be cached, particularly high-capacity energy storage are used, energy storage on the basis of double-layer capacitors (EDLC) are particularly favorable in terms of capacity per mass and therefore contribute to securing a high efficiency of the energy transmission path ,

Als Energiespeicher werden bevorzugt sogenannte Supercaps (elektrochemische Doppelschichtkondensatoren) eingesetzt, die eine hohe Energiemenge für eine kurze Zeitdauer bereitzustellen in der Lage sind und unter Nennbedingungen eine sehr hohe Anzahl von Ladezyklen ermöglichen. Diesen Vorteilen steht jedoch als Nachteil gegenüber, dass eine maximale Gesamtspannung der durch Reihen- oder Parallelschaltung zur Kaskade verschalteten Einzelkondensatoren des Supercaps eingehalten werden muss, wenn der betriebsmäßige Nennwert aus Ausnutzungsgründen an die maximale Gesamtspannung heranreicht. Andernfalls kann die Spannung an den Einzelkondensatoren die maximal zulässige Gebrauchsspannung überschreiten, was eine Zersetzung des Elektrolyts und somit irreparable Schädigung der Supercap-Zellen zur Folge haben würde.As an energy storage so-called supercaps (electrochemical double-layer capacitors) are preferably used, which are able to provide a high amount of energy for a short period of time and under nominal conditions allow a very high number of charging cycles. However, these advantages are counteracted by the disadvantage that a maximum total voltage of the individual capacitors of the supercaps interconnected by series or parallel connection to the cascade must be maintained when the operational nominal value approaches the maximum total voltage for reasons of utilization. Otherwise, the voltage across the individual capacitors may exceed the maximum allowable working voltage, which would result in decomposition of the electrolyte and thus irreparable damage to the supercap cells.

Zum Überspannungsschutz kommen im Stand der Technik häufig sogenannte Shunt-Regler zum Einsatz, die allerdings aus Gründen der energetischen Effizienz keine echte Alternative darstellen, da sie den enormen Nachteil aufweisen, dass sie die Überspannung ungenutzt über einen Widerstand ableiten, um die überschüssige Spannung abzubauen.For overvoltage protection, so-called shunt regulators are often used in the prior art, but they are not a real alternative for reasons of energy efficiency, since they have the enormous disadvantage that they dissipate the overvoltage unused via a resistor in order to reduce the excess voltage.

Um das Entstehen schädlicher Überspannungen auszuschließen, ist es zudem auch bekannt, dem Energiespeicher eine Baugruppe vorzuschalten, die mit einem Überspannungsschutz ausgestattet ist, wobei dieser Überspannungsschutz dadurch realisiert werden kann, dass der kapazitive Energiespeicher von der Einspeisung mittels eines Schalters, vorteilhafterweise mittels eines elektronischen Leistungsschalters, getrennt wird, sobald am kapazitiven Energiespeicher ein vorgegebener Spannungswert überschritten wird.To preclude the emergence of harmful overvoltages, it is also known to precede the energy storage an assembly that is equipped with an overvoltage protection, this overvoltage protection can be realized that the capacitive energy storage of the feed by means of a switch, advantageously by means of an electronic circuit breaker , is disconnected as soon as a predetermined voltage value is exceeded at the capacitive energy storage.

Hierzu werden Leistungsschalter eingesetzt, die serienmäßig über einen integrierten Überspannungs- und Überstromschutz verfügen. Die Verwendung solcher Leistungsschalter mit eingebautem Überspannungsschutz ist jedoch mit dem Nachteil verbunden, dass bei Energieentnahme aus dem kapazitiven Energiespeicher der Laststrom beim Durchfließen des elektronischen Leistungsschalters auch über die für den Überspannungsschutz funktionell notwendige Diode im Leistungsschalter geleitet werden muss, welche jedoch eine relativ geringe Strombelastbarkeit besitzt.For this purpose, circuit breakers are used which have integrated overvoltage and overcurrent protection as standard. The use of such circuit breaker with built-in overvoltage protection, however, has the disadvantage that when energy is removed from the capacitive energy storage of the load current when flowing through the electronic circuit breaker must also be routed through the functionally necessary for overvoltage diode protection in the circuit breaker, which, however, has a relatively low current carrying capacity ,

Fließt daher im Entladezustand ein Strom über diese Schutzdiode des Leistungsschalters entsteht insbesondere bei größeren Lastströmen ein Energieverlust in ungünstiger Relation zur Energieaufnahme des Lastkreises.If, therefore, a current flows in the discharge state via this protective diode of the circuit breaker, an energy loss occurs in unfavorable relation to the energy consumption of the load circuit, in particular for larger load currents.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung mit einem Energiespeicher anzugeben, die einerseits beim Aufladen eine Überspannung am Energiespeicher sicher verhindert und andererseits beim Entladen die energetische Effizienz der Stromentnahme aus dem Energiespeicher nicht negativ beeinflusst.The invention is therefore based on the object to provide a circuit arrangement with an energy storage on the one hand when charging an overvoltage on the energy storage safely prevented and on the other hand, the energy efficiency of the current drain from the energy storage does not affect negatively when unloading.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.This object is achieved by a circuit arrangement with the features of claim 1.

Die Lösung basiert demzufolge auf der grundsätzlichen Überlegung, den Überspannungsschutz beim Laden des Energiespeichers trotz des erhöhten schaltungstechnischen Aufwandes durch eine vom Leistungsschalter räumlich getrennte, jedoch elektrisch damit verbundene Komponente, nämlich durch eine zusätzliche Spannungsüberwachungseinrichtung zu realisieren, so dass bei Stromentnahme keine Energieverluste mehr im Leistungsschalter entstehen, da dieser keine Überspannungsschutzdioden mehr benötigt und somit lediglich einen integrierten Überstrom- und/oder Übertemperaturschutz für die Sicherung des Entladevorgangs des Energiespeichers aufweisen kann.The solution is therefore based on the fundamental consideration of realizing the overvoltage protection during charging of the energy storage device despite the increased circuit complexity by a spatially separated from the power switch, but electrically connected component, namely by an additional voltage monitoring device, so that when power is removed no more energy losses in the circuit breaker arise because it no longer requires overvoltage protection diodes and thus can only have an integrated overcurrent and / or overtemperature protection for securing the discharge of the energy storage.

Um das bei Erreichen eines Ladespannungsgrenzwertes im Energiespeicher von der Spannungsüberwachungseinrichtung abgegebene Ladeunterbrechungssignal verwerten und den Ladestromkreis daraufhin unterbrechen zu können, muss es sich bei dem Leistungsschalter um einen ansteuerbaren Leistungsschalter handeln, welche auch als sogenannte „intelligente” Leistungsschalter bezeichnet werden, und welche als High-Side-Switches ausgeführt sein können, wie beispielsweise die unter dem Markennamen „PROFET” von der Firma Siemens kommerzialisierten Leistungsschalter.In order to be able to utilize the charge interruption signal emitted by the voltage monitoring device when a charging voltage limit value is reached and then to interrupt the charging circuit, the circuit breaker must be a controllable power switch, which is also referred to as a so-called "intelligent" power switch, and which Side switches can be executed, such as under the brand name "PROFET" from Siemens commercialized circuit breaker.

Solche Leistungsschalter sind inhärent bereits mit einem Überstrom- und ferner mit einem Übertemperaturschutz (Thermoschutz) ausgestattet, wobei in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung diese Funktionen insbesondere im Entladezustand, d. h. bei Stromentnahme aus dem Energiespeicher, ausgenutzt werden, und fungieren zudem als elektronische Schaltmittel, die von außen über einen Steuereingang so ansteuerbar sind, dass bei Empfang eines Ladeunterbrechungssignals von der Spannungsüberwachungseinrichtung der Ladestromkreis sofort unterbrochen wird.Such circuit breakers are inherently already equipped with an overcurrent protection and also with an overtemperature protection (thermal protection), wherein in the circuit arrangement according to the invention, these functions in particular in the discharge, ie when current from the energy storage, exploited, and also act as an electronic switching means which are externally controlled via a control input that immediately interrupted upon receipt of a charge interruption signal from the voltage monitoring device of the charging circuit becomes.

Der die vorgenannten Funktionen ausfüllende, vorzugsweise als High-Side-Switch ausgebildete, „intelligente” Leistungsschalter bildet das Kernelement des Überspannungsschutzes und es sind lediglich wenige weitere Bauteile notwendig, um die in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zum Aufladen eines Energiespeichers enthaltene, elektronische Ladeschaltung zu realisieren, so dass der für die Abtrennung des Überspannungsschutzes zu betreibende schaltungstechnische Mehraufwand kostenmäßig sehr überschaubar ist und von den Vorteilen einer solchen Lösung mehr als aufgewogen wird.The above-mentioned functions filling, preferably designed as a high-side switch, "intelligent" circuit breaker forms the core element of the surge protection and only a few other components are necessary to realize the electronic charging circuit contained in the inventive circuit for charging an energy storage, so that the costs to be operated for the separation of the overvoltage protection circuit complexity is very manageable and more than outweighed by the advantages of such a solution.

Die erfindungsgemäße Ladevorrichtung/Schaltungsanordnung kann prinzipiell an jede Art von Energiespeicher angepasst werden, die nur mit einer begrenzten Ladespannung aufladbar ist, wobei sie jedoch insbesondere bei kapazitiven Energiespeichern, wie beispielsweise hochkapazitiven Energiespeichern auf der Basis eines oder mehrerer Doppelschichtkondensatoren (sog. Supercaps), zur Anwendung gelangt, da solche Energiespeicher besonders empfindlich gegenüber Überspannungen sind. Auch Akkumulatoren können in vorteilhafter Weise mittels einer solchen Aufladungsschaltung geladen werden.The charging device / circuit arrangement according to the invention can in principle be adapted to any type of energy storage which can only be charged with a limited charging voltage, but in particular in the case of capacitive energy storage devices, such as, for example, high-capacity energy storage devices based on one or more double-layer capacitors (so-called supercaps) Application comes because such energy storage are particularly sensitive to overvoltages. Also, accumulators can be charged in an advantageous manner by means of such a charging circuit.

Um den Leistungsschalter und somit auch den Energiespeicher vor Überspannungen zu schützen, ist in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, zwischen den Eingangsanschlüssen der Ladeschaltung ein zusätzliches Überspannungsschutzelement, beispielsweise in der Form einer Suppressordiode, vorzusehen.In order to protect the circuit breaker and thus the energy storage against overvoltages, is provided in a preferred embodiment of the invention to provide between the input terminals of the charging circuit an additional overvoltage protection element, for example in the form of a suppressor diode.

Diese und weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Nachfolgenden in exemplarischer Weise mit Bezug auf die angehängte Zeichnung beschrieben.These and other embodiments of the present invention will be described below by way of example with reference to the accompanying drawings.

In der Zeichnung zeigt die einzige Figur schematisch eine Ladeschaltung 2 nach einer bevorzugten Ausführungsform bestimmt für eine Schaltungsanordnung zum Aufladen eines aus mehreren Doppelschichtkondensatoren bestehenden, kapazitiven Energiespeichers.In the drawing, the single figure shows schematically a charging circuit 2 According to a preferred embodiment, it is determined for a circuit arrangement for charging a capacitive energy store consisting of a plurality of double-layer capacitors.

Zur Eingabe einer Eingangswechselspannung weist die Ladeschaltung 2 zwei Eingangsanschlüsse 3 und 4 auf, die mit einer Gleichrichterschaltung 5 verbunden sind, die die an den Eingangsanschlüssen 3 und 4 anliegende Wechselspannung gleichrichtet und glättet und hierzu vorzugsweise einen Ladekondensator beinhaltet.To enter an input AC voltage, the charging circuit 2 two input connections 3 and 4 on that with a rectifier circuit 5 connected to the at the input terminals 3 and 4 rectifies and smoothes applied alternating voltage and this preferably includes a charging capacitor.

Der positive Ausgang 7 der Gleichrichterschaltung 5 ist mit dem Eingang E des Leistungsschalters 6 verbunden, während der negative Ausgang 8 der Gleichrichterschaltung 5 an die Bezugsleitung (Masseleitung 9) angeschlossen ist.The positive outcome 7 the rectifier circuit 5 is connected to input E of the circuit breaker 6 connected while the negative output 8th the rectifier circuit 5 to the reference line (ground line 9 ) connected.

Der Ausgang A des Leistungsschalters 6 ist wiederum mit dem ersten, positiven Anschluss 10 des Energiespeichers 1 verbunden, der als kapazitiver Energiespeicher (Modul mit mehreren in Reihe geschalteten Doppelschichtkondensatoren EDLC) ausgeführt ist. Der zweite, negative Anschluss 11 des Energiespeichers 1 ist mit der Bezugsleitung (Masseleitung 9) verbunden.The output A of the circuit breaker 6 is again with the first, positive connection 10 of the energy store 1 connected, which is designed as a capacitive energy storage (module with several series-connected double-layer capacitors EDLC). The second, negative connection 11 of the energy store 1 is connected to the reference line (ground line 9 ) connected.

Die Schaltungsanordnung weist als weiteren, wesentlichen Bestandteil eine Spannungsüberwachungseinrichtung 12 auf, die über einen Masseanschluss M zur Bezugsleitung 9 hin verbunden ist. Zum Einspeisen einer Versorgungsspannung verfügt die Spannungsüberwachungseinrichtung 12 über einen Versorgungsanschluss V, der in dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel an den positiven Ausgang 7 der Gleichrichterschaltung 5 angeschlossen ist.The circuit arrangement has, as a further essential component, a voltage monitoring device 12 on, via a ground terminal M to the reference line 9 connected. For feeding a supply voltage has the voltage monitoring device 12 via a supply connection V, which in the embodiment shown in the figure to the positive output 7 the rectifier circuit 5 connected.

Zur Erfassung der Spannung am Energiespeicher 1 weist die Spannungsüberwachungseinrichtung 12 einen Eingang S auf, der mit dem positiven Anschluss 10 des Energiespeichers 1 verbunden ist, so dass über diesen Eingang S die Information über die momentan am Energiespeicher 1 anliegende Ladespannung erhalten wird. Über einen Ausgang OUT der Spannungsüberwachungseinrichtung 12, der mit einem Steueranschluss C des Leistungsschalters 6 verbunden ist, ist es möglich, den Leistungsschalter 6 zu trennen und so ein weiteres Aufladen des Energiespeichers 1 zu unterbrechen.For detecting the voltage at the energy storage 1 has the voltage monitor 12 an input S on, which is connected to the positive terminal 10 of the energy store 1 is connected, so that via this input S, the information about the moment on the energy storage 1 applied charging voltage is obtained. Via an output OUT of the voltage monitoring device 12 connected to a control terminal C of the circuit breaker 6 connected, it is possible to use the circuit breaker 6 to disconnect and so recharge the energy storage 1 to interrupt.

An den Versorgungsanschluss V der Spannungsüberwachungseinrichtung 12 kann auch jede beliebige andere, interne oder externe Spannungsquelle angeschlossen werden, die für den Betrieb der Spannungsüberwachungseinrichtung 12 eine geregelte Versorgungsspannung bereitstellt. So wäre es optional auch denkbar, den Versorgungsanschluss V der Spannungsüberwachungseinrichtung 12 statt, wie dargestellt, mit dem positiven Ausgang 7 der Gleichrichterschaltung 5, mit dem positiven Anschluss 10 des kapazitiven Energiespeichers 1 zu verbinden.To the supply terminal V of the voltage monitoring device 12 It is also possible to connect any other internal or external voltage source necessary for the operation of the voltage monitoring device 12 provides a regulated supply voltage. Thus, it would also optionally be possible to connect the supply connection V of the voltage monitoring device 12 instead, as shown, with the positive output 7 the rectifier circuit 5 , with the positive connection 10 of the capacitive energy storage 1 connect to.

Der Überspannungsschutz beim Aufladen des kapazitiven Energiespeichers 1 erfolgt in der Weise, dass über den mit dem positiven Anschluss 10 des Energiespeichers 1 verbundenen Eingang S der Spannungsüberwachungseinrichtung 12 der Zeitpunkt ermittelt wird, an dem die Ladespannung am Energiespeicher 1 auf den Nennwert angestiegen ist. Beim Erreichen dieses kritischen Zeitpunktes wird von der Spannungsüberwachungseinrichtung 12 ein Ladeunterbrechungssignal erzeugt, das über die elektrische Verbindung des Ausganges OUT der Spannungsüberwachungseinrichtung 12 mit dem Steueranschluss C des Leistungsschalters 6 an den Leistungsschalter 6 übermittelt wird, so dass der Leistungsschalter 6 letztlich geöffnet und die Aufladung des Energiespeichers 1 unterbrochen wird, bevor irreparable Schädigungen am Energiespeicher 1 auftreten können.The surge protection when charging the capacitive energy storage 1 done in the way that over with the positive connection 10 of the energy store 1 connected input S of the voltage monitoring device 12 the time is determined at which the charging voltage at the energy storage 1 has risen to the nominal value. When this critical time is reached, the voltage monitoring device is triggered 12 generates a charge interruption signal, via the electrical connection of the output OUT of the voltage monitoring device 12 to the control terminal C of the circuit breaker 6 to the circuit breaker 6 is transmitted so that the circuit breaker 6 ultimately open and charging the energy storage 1 is interrupted before irreparable damage to the energy storage 1 may occur.

Bei Stromeinspeisung in und Stromentnahme aus dem Energiespeicher 1 fließt Strom auch über den Leistungsschalter 6, so dass Mittel zum Überstromschutz erforderlich sind, um den Leistungsschalter 6 vor Überlast zu schützen. Hierzu werden sogenannte „intelligente” Leistungsschalter 6 verwendet, in die bereits entsprechende Schutzelemente mit einer Überstromschutz-Funktion integriert sind, wobei dieser integrierte Überstromschutz eine vom Überspannungsschutz unabhängige Unterbrechung des Ladestromkreises bei zu großem Ladestrom erlaubt.For power supply in and current drain from the energy storage 1 Current also flows through the circuit breaker 6 so that means of overcurrent protection are required to the circuit breaker 6 to protect against overload. For this purpose, so-called "smart" circuit breakers 6 used in the already corresponding protective elements are integrated with an overcurrent protection function, this integrated overcurrent protection allows independent of the surge protection interruption of the charging circuit at too high charging current.

Diese Trennung von Überspannungsschutz und Überstromschutz bildet einen wichtigen Aspekt, da die durch Überspannungen einerseits und durch Überströme andererseits bedingten Unterbrechungen des Ladestromkreises unabhängig voneinander, durch zwei räumlich voneinander getrennte, wenngleich elektrisch miteinander gekoppelte Bauteile erfolgen, nämlich durch die Spannungsüberwachungseinrichtung 12 einerseits und durch den Leistungsschalter 6 andererseits.This separation of overvoltage protection and overcurrent protection constitutes an important aspect, since the interruptions of the charging circuit due to overvoltages on the one hand and overcurrents on the other hand are independent of each other, by two spatially separated, although electrically coupled components, namely by the voltage monitoring device 12 on the one hand and through the circuit breaker 6 on the other hand.

Durch diese unabhängige Unterbrechung wird der Energiespeicher 1 auf doppelte Weise vor Überspannung geschützt. Zum einen verhindert der direkte Überspannungsschutz durch die Spannungsüberwachungseinrichtung 12, dass die Spannung am Energiespeicher 1 einen vorgebbaren Ladespannungsgrenzwert überschreitet, und zum anderen verhindert der in den Leistungsschalter 6 integrierte Überstromschutz, dass der Leistungsschalter 6 durch einen Überstrom beschädigt und somit eine Überspannung am Energiespeicher 1 durch einen defekten (kurzgeschlossenen) Leistungsschalter 6 verursacht wird.Through this independent interruption of the energy storage 1 protected in two ways against overvoltage. On the one hand prevents the direct overvoltage protection by the voltage monitoring device 12 that the voltage on the energy storage 1 exceeds a predetermined charging voltage limit, and on the other hand prevents the in the circuit breaker 6 integrated overcurrent protection that the circuit breaker 6 damaged by an overcurrent and thus an overvoltage on the energy storage 1 by a faulty (shorted) circuit breaker 6 is caused.

Hat der kapazitive Energiespeicher 1 seine Nennspannung erreicht und ist daraufhin der Ladestromkreis unterbrochen worden, so muss dem Energiespeicher 1 durch Stromfluss vom positiven Lastkreisanschluss 14 des Energiespeichers 1 zur Bezugsleitung 9 Energie entnommen werden, damit die Spannung am Energiespeicher 1 wieder unter die Nennspannung absinkt. Ist dies geschehen, wird die Spannungsüberwachungseinrichtung 12 wieder in den Zustand vor dem Erreichen der Nennspannung am Energiespeicher 1 zurückgesetzt, d. h. die Spannungsüberwachungseinrichtung 12 gibt über ihren Ausgang OUT kein Ladeunterbrechungssignal mehr ab und über ihren Eingang S wird das Spannungsniveau des wiederaufzuladenden Energiespeichers 1 aufgenommen. Da der Leistungsschalter 6 nach Absinken der Spannung am Energiespeicher 1 kein Ladeunterbrechungssignal mehr an seinem Steueranschluss C von der Spannungsüberwachungseinrichtung 12 empfängt, wird der Leistungsschalter 6 vom ausgeschalteten wieder in den eingeschalteten Zustand überführt, so dass der Aufladevorgang des Energiespeichers 1 wieder beginnen kann.Has the capacitive energy storage 1 has reached its rated voltage and then the charging circuit has been interrupted, so must the energy storage 1 by current flow from the positive load circuit connection 14 of the energy store 1 to the reference line 9 Energy to be removed, so that the voltage at the energy storage 1 again falls below the nominal voltage. When this is done, the voltage monitor becomes 12 back to the state before reaching the rated voltage at the energy storage 1 reset, ie the voltage monitoring device 12 does not output any charge interruption signal via its output OUT and its input S causes the voltage level of the energy store to be recharged 1 added. As the circuit breaker 6 after the voltage at the energy store has dropped 1 no charge interrupt signal at its control terminal C from the voltage monitor 12 receives, the circuit breaker 6 transferred from the off again to the on state, so that the charging process of the energy storage 1 can start again.

Eine mögliche Fehlerquelle besteht jedoch weiterhin darin, dass Spannungsspitzen in der Eingangsspannung zu einem defekten Leistungsschalter 6 und infolgedessen zu Überspannungsschäden am Energiespeicher 1 führen können. Um auch diese Fehlerquelle auszuschließen, umfasst die Ladeschaltung 2 der erfindungsgemäßen Ladevorrichtung/Schaltungsanordnung ein zusätzliches Schutzelement 13, das zwischen den beiden Eingangsanschlüssen 3 und 4 der Ladeschaltung 2 geschaltet ist. Bei diesem Schutzelement 13 handelt es sich vorzugsweise um ein Schutzelement mit steilem Spannungsbegrenzungseinsatz, wie beispielsweise um ein Schutzelement aus mindestens einer Suppressordiode.However, one possible source of error continues to be that voltage spikes in the input voltage to a faulty circuit breaker 6 and as a result to overvoltage damage to the energy storage 1 being able to lead. To exclude this source of error, includes the charging circuit 2 the charging device / circuit arrangement according to the invention an additional protective element 13 that between the two input terminals 3 and 4 the charging circuit 2 is switched. In this protection element 13 it is preferably a protection element with steep voltage limiting insert, such as a protective element of at least one suppressor diode.

Die Anordnung des spannungsbegrenzenden Schutzelementes 13 zwischen den beiden Eingangsanschlüssen 3 und 4 schützt im Vergleich zu anderen, alternativen Anordnungsmöglichkeiten des Schutzelementes 13 innerhalb der Ladeschaltung 2 den Leistungsschalter 6 und somit den nachgeordneten Energiespeicher 1 besonders zuverlässig vor Überspannungsschäden. Beispielsweise würde eine Anordnung des spannungsbegrenzenden Schutzelementes 13 (z. B. Suppressordiode) in Parallelschaltung zum Energiespeicher 1 dazu führen, dass im Spannungsbegrenzungseinsatz ein hoher Energieeintrag vom Energiespeicher 1 in dieses parallel geschaltete Schutzelement 13 erfolgen würde.The arrangement of the voltage-limiting protective element 13 between the two input terminals 3 and 4 protects in comparison to other, alternative arrangement options of the protective element 13 within the charging circuit 2 the circuit breaker 6 and thus the downstream energy storage 1 particularly reliable against overvoltage damage. For example, an arrangement of the voltage-limiting protective element 13 (eg suppressor diode) connected in parallel to the energy store 1 lead to a high energy input from the energy storage in the voltage limiting application 1 in this parallel protective element 13 would be done.

Durch diesen sehr hohen Energieeintrag kann es zur Zerstörung des Schutzelements 13 mit der gleichzeitigen Ausbildung eines Kurzschlusses kommen. Dadurch kann dann in der Folge sogar ein Kurzschluss in Energiespeicher 1 und unter Umständen eine dauerhafte Schädigung des Energiespeichers 1 eintreten.This very high energy input can destroy the protective element 13 come with the simultaneous formation of a short circuit. As a result, even in the episode even a short circuit in energy storage 1 and possibly permanent damage to the energy store 1 enter.

Zur gleichen Fehlerfolgenkette kann es kommen, wenn das als Diode ausgebildete Schutzelement 13 direkt in den Leistungsschalter 6 integriert, d. h. zwischen dessen Eingangsanschluss E und dessen Ausgangsanschluss A geschaltet wird, und die Diode dabei für einen Rückstrom vom Ausgangsanschluss A zum Eingangsanschluss E in Durchlassrichtung gepolt ist. Wie eingangs erläutert, ist eine solche unmittelbar in den Leistungsschalter 6 integrierte Überspannungsschutzdiode typisch für „intelligente”, umfassend geschützte Leistungsschalter, wie High-Side-Switches. Ein zur Zerstörung und eventuell zur Kurzschlussausbildung im Schutzelement 13 führender Energieeintrag vom Energiespeicher 1 kann auch dann eintreten, wenn das besagte Schutzelement 13 vom Eingangsanschluss E des Leistungsschalters 6 zur Bezugsleitung 9, d. h. nicht wie vorteilhaft vorgeschlagen am Eingang, sondern stattdessen am Ausgang der Gleichrichterschaltung 5 geschaltet wäre.The same error sequence chain can occur if the protective element designed as a diode 13 directly into the circuit breaker 6 integrated, that is, between the input terminal E and its output terminal A is connected, and the diode is poled for a return current from the output terminal A to the input terminal E in the forward direction. As explained above, such is directly in the circuit breaker 6 integrated overvoltage protection diode typical of "smart", fully protected circuit breakers, such as high-side switches. One for destruction and possibly short circuit training in the protective element 13 leading energy input from energy storage 1 can also occur when the said protective element 13 from the input terminal E of the circuit breaker 6 to the reference line 9 ie not as suggested advantageously at the input but instead at the output of the rectifier circuit 5 would be switched.

In der einzigen Figur ist die Diode 13 zwischen den Eingangsanschlüssen 3 und 4 angeschlossen und hat eine Charakteristik in Vorwärtsrichtung von der Seite des Anschlusses 4 zur Seite des Anschlusses 3, so dass bei dieser Konfiguration selbst dann, wenn die Spannung am Eingangsanschluss 4 höher als die Spannung am Eingangsanschluss 3 wird, die Spannungsdifferenz zwischen den Anschlüssen 3 und 4 auf einen Bereich geklemmt wird, der niedriger als die Vorwärtsspannung der Diode 13 ist. Durch die eingangsseitige Verschaltung der Diode 13 wird somit das Auftreten von kurzzeitigen Überspannungsspitzen, welche den Leistungsschalter 6 beschädigen können, noch effektiver verhindert. So wird gleichzeitig das Risiko reduziert, dass als Folge eines solchen Schalterdefekts die Überspannungen auch am Energiespeicher 1 Schäden verursachen.In the single figure is the diode 13 between the input terminals 3 and 4 connected and has a characteristic in the forward direction from the side of the terminal 4 to the side of the connection 3 so in this configuration even if the voltage at the input terminal 4 higher than the voltage at the input terminal 3 will, the voltage difference between the terminals 3 and 4 is clamped to an area lower than the forward voltage of the diode 13 is. By the input-side interconnection of the diode 13 Thus, the occurrence of transient overvoltage spikes affecting the circuit breaker 6 damage, even more effectively prevented. At the same time the risk is reduced that as a result of such a switch failure, the overvoltages also on the energy storage 1 Cause damage.

Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung zum Aufladen eines Energiespeichers 1 weist vorteilhafterweise einen Überspannungsschutz auf, um den Energiespeicher 1 vor zu großen Spannungen zu schützen. Die in dieser Schaltungsanordnung verwendete Ladeschaltung 2 ist dabei insbesondere für elektrische Verhältnisse geeignet, die durch kurzzeitige hohe Lastströme gekennzeichnet sind.The proposed circuit arrangement for charging an energy store 1 advantageously has an overvoltage protection to the energy storage 1 to protect against excessive voltages. The charging circuit used in this circuit arrangement 2 is particularly suitable for electrical conditions that are characterized by short-term high load currents.

Die Schaltungsanordnung 1 ermöglicht insbesondere einen Überspannungsschutz für kapazitive Energiespeicher 1 hoher Stromergiebigkeit, wie beispielsweise für Doppelschichtkondensatoren EDLC, die unter vielen unterschiedlichen Handelsnamen (wie z. B. Supercap) auf dem Markt angeboten werden.The circuit arrangement 1 in particular allows overvoltage protection for capacitive energy storage 1 high current yield, such as EDLC double-layer capacitors, which are offered on the market under many different trade names (such as Supercap).

Es wird eine Schaltungsanordnung mit einem Energiespeicher, insbesondere zum Überspannungs- und Kurzschlußschutz eines kapazitiven Energiespeichers oder von Akkumulatoren vorgeschlagen, mit einer elektronischen Lade- bzw. Entladeschaltung, die aufweist: einen ersten und einen zweiten Eingangsanschluss zum Eingeben einer Eingangswechselspannung, eine mit den zwei Eingangsanschlüssen verbundene Gleichrichterschaltung, einen steuerbaren Leistungsschalter, dessen Eingang mit dem positiven Ausgang der Gleichrichterschaltung verbunden ist, eine Bezugsleitung, die mit dem negativen Ausgang der Gleichrichterschaltung verbunden ist, einen ersten und einen zweiten Anschluss des Energiespeichers, wobei der erste, positive Anschluss mit dem Ausgang des steuerbaren Leistungsschalters und der zweite, negative Anschluss mit der Bezugsleitung verbunden ist, und eine Spannungsüberwachungseinrichtung, die über einen Masseanschluss mit der Bezugsleitung verbunden ist und über einen Versorgungsanschluss mit einer Versorgungsspannung gespeist wird, wobei zur Abgabe eines Ladeunterbrechungssignals von der Spannungsüberwachungseinrichtung an den steuerbaren Leistungsschalter bei Überschreiten eines Ladespannungsgrenzwertes im Energiespeicher ein Eingang der Spannungsüberwachungseinrichtung mit dem positiven Anschluss des Energiespeichers und ein Ausgang der Spannungsüberwachungseinrichtung mit einem Steueranschluss des steuerbaren Leistungsschalters verbunden ist.It is a circuit arrangement with an energy storage, in particular for overvoltage and short-circuit protection of a capacitive energy storage or accumulators proposed, with an electronic charging or discharging circuit, comprising: a first and a second input terminal for inputting an input AC voltage, one with the two input terminals connected rectifier circuit, a controllable power switch whose input is connected to the positive output of the rectifier circuit, a reference line which is connected to the negative output of the rectifier circuit, a first and a second terminal of the energy store, wherein the first positive terminal connected to the output of controllable circuit breaker and the second, negative terminal is connected to the reference line, and a voltage monitoring device, which is connected via a ground terminal to the reference line and a supply Ansch an input of the voltage monitoring device to the positive terminal of the energy storage and an output of the voltage monitoring device is connected to a control terminal of the controllable circuit breaker for delivering a charge interruption signal from the voltage monitoring device to the controllable power switch when exceeding a charging voltage limit.

Claims (10)

Schaltungsanordnung mit einem Energiespeicher (1), insbesondere zum Überspannungs- und Kurzschlußschutz eines kapazitiven Energiespeichers (1) oder von Akkumulatoren, mit einer elektronischen Lade- bzw. Entladeschaltung (2), aufweisend: – einen ersten und einen zweiten Eingangsanschluss (3, 4) zum Eingeben einer Eingangswechselspannung, – eine mit den zwei Eingangsanschlüssen (3, 4) verbundene Gleichrichterschaltung (5), – einen steuerbaren Leistungsschalter (6), dessen Eingang (E) mit dem positiven Ausgang (7) der Gleichrichterschaltung (5) verbunden ist, – eine Bezugsleitung (9), die mit dem negativen Ausgang (8) der Gleichrichterschaltung (5) verbunden ist, – einen ersten und einen zweiten Anschluss (10, 11) des Energiespeichers (1), wobei der erste, positive Anschluss (10) mit dem Ausgang (A) des steuerbaren Leistungsschalters (6) und der zweite, negative Anschluss (11) mit der Bezugsleitung (9) verbunden ist, – eine Spannungsüberwachungseinrichtung (12), die über einen Masseanschluss (M) mit der Bezugsleitung (9) verbunden ist und über einen Versorgungsanschluss (V) mit einer Versorgungsspannung gespeist wird, wobei zur Abgabe eines Ladeunterbrechungssignals von der Spannungsüberwachungseinrichtung (12) an den steuerbaren Leistungsschalter (6) bei Erreichen eines Ladespannungsgrenzwertes im Energiespeicher (1) ein Eingang (S) der Spannungsüberwachungseinrichtung (12) mit dem positiven Anschluss (10) des Energiespeichers (1) und ein Ausgang (OUT) der Spannungsüberwachungseinrichtung (12) mit einem Steueranschluss (C) des steuerbaren Leistungsschalters (6) verbunden ist.Circuit arrangement with an energy store ( 1 ), in particular for overvoltage and short-circuit protection of a capacitive energy store ( 1 ) or of accumulators, with an electronic charging or discharging circuit ( 2 ), comprising: - a first and a second input terminal ( 3 . 4 ) for inputting an input AC voltage, - one with the two input terminals ( 3 . 4 ) connected rectifier circuit ( 5 ), - a controllable circuit breaker ( 6 ) whose input (E) is connected to the positive output ( 7 ) of the rectifier circuit ( 5 ), - a reference line ( 9 ), with the negative output ( 8th ) of the rectifier circuit ( 5 ), - a first and a second connection ( 10 . 11 ) of the energy store ( 1 ), the first, positive connection ( 10 ) with the output (A) of the controllable circuit breaker ( 6 ) and the second, negative connection ( 11 ) with the reference line ( 9 ), - a voltage monitoring device ( 12 ) connected via a ground connection (M) to the reference line ( 9 ) and is supplied via a supply terminal (V) with a supply voltage, wherein for the delivery of a charge interruption signal from the voltage monitoring device ( 12 ) to the controllable circuit breaker ( 6 ) upon reaching a charging voltage limit value in the energy store ( 1 ) an input (S) of the voltage monitoring device ( 12 ) with the positive connection ( 10 ) of the energy store ( 1 ) and an output (OUT) of the Voltage monitoring device ( 12 ) with a control connection (C) of the controllable circuit breaker ( 6 ) connected is. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (1) ein kapazitiver Energiespeicher, insbesondere ein hochkapazitiver Energiespeicher auf der Basis eines oder mehrerer Doppelschichtkondensatoren, ist.Circuit arrangement according to Claim 1, characterized in that the energy store ( 1 ) is a capacitive energy storage, in particular a high-capacity energy storage on the basis of one or more double-layer capacitors. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Eingangsanschlüssen (3, 4) ein Überspannungsschutzelement (13) geschaltet ist.Circuit arrangement according to Claim 1 or 2, characterized in that between the input terminals ( 3 . 4 ) an overvoltage protection element ( 13 ) is switched. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Überspannungsschutzelement (13) aus einer Supressordiode besteht.Circuit arrangement according to Claim 3, characterized in that the overvoltage protection element ( 13 ) consists of a suppressor diode. Schaltungsanordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichrichterschaltung (5) einen Ladekondensator enthält.Circuit arrangement according to at least one of the preceding claims 1 to 4, characterized in that the rectifier circuit ( 5 ) contains a charging capacitor. Schaltungsanordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in den steuerbaren Leistungsschalter (6) eine Überstromschutzeinrichtung integriert ist, die den Auflade- oder Entladestromkreis bei zu hoher Stromstärke unterbricht.Circuit arrangement according to at least one of the preceding claims 1 to 5, characterized in that in the controllable power switch ( 6 ) An overcurrent protection device is integrated, which interrupts the charging or discharging circuit at high current. Schaltungsanordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in den steuerbaren Leistungsschalter (6) eine Übertemperaturschutzeinrichtung integriert ist, die den Auflade- oder Entladestromkreis bei zu hoher Temperatur unterbricht.Circuit arrangement according to at least one of the preceding claims 1 to 6, characterized in that in the controllable power switch ( 6 ) an over-temperature protection device is integrated, which interrupts the charging or discharging circuit at too high a temperature. Schaltungsanordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der steuerbare Leistungsschalter (6) als High-Side-Switch ausgeführt ist.Circuit arrangement according to at least one of the preceding claims 1 to 7, characterized in that the controllable circuit breaker ( 6 ) is designed as a high-side switch. Schaltungsanordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Versorgungsanschluss (V) der Spannungsüberwachungseinrichtung (12) mit dem positiven Ausgang (7) der Gleichrichterschaltung (5) oder mit dem positiven Anschluss (10) des Energiespeichers (1) verbunden ist.Circuit arrangement according to at least one of the preceding claims 1 to 8, characterized in that the supply connection (V) of the voltage monitoring device ( 12 ) with the positive output ( 7 ) of the rectifier circuit ( 5 ) or with the positive connection ( 10 ) of the energy store ( 1 ) connected is. Schaltungsanordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsüberwachungseinrichtung (12) derart ausgebildet ist, dass das Ladeunterbrechungssignal dann erzeugt wird, wenn die Ladespannung am Energiespeicher (1) den Nennwert erreicht.Circuit arrangement according to at least one of the preceding claims 1 to 9, characterized in that the voltage monitoring device ( 12 ) is designed such that the charge interruption signal is generated when the charging voltage at the energy store ( 1 ) reaches the nominal value.
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